蜂窝夹层结构结构匹配关系的仿真研究：关键面板厚度与蜂窝单元尺寸

《Composite Structures》：Simulation study of structural matching relationships for honeycomb sandwich structures: Critical panel thickness and honeycomb cell size

钛/CFRP复合夹层结构在准静态压痕下的力学性能与临界面板厚度Tc与蜂窝胞元尺寸C的线性匹配关系Tc=?0.52C+10.34的研究。

　　

纪俊杰|田宇|万仁康|周轩宇|杨子熙|张璐|胡玉冰|张亚楠

南京工业大学材料科学与工程学院，中国南京211816

摘要

面板与蜂窝芯之间的耦合关系对夹层结构的机械性能至关重要。本研究对不同面板厚度（T）和蜂窝孔径（C）的蜂窝夹层结构的准静态压痕响应进行了系统的数值分析。通过比较载荷-位移曲线和损伤形态，验证了模型的准确性。采用二分法确定了C10结构的临界面板厚度（T_c）。能量吸收分析表明，在达到T_c之前，蜂窝夹层结构的峰值载荷和能量吸收能力随着T的增加而提高。C10结构的载荷-位移曲线显示了两种不同的失效模式：当T低于T_c时，上下面板依次发生开裂，同时蜂窝芯出现局部损伤；当T超过T_c时，蜂窝芯在面板弯曲失效后完全压碎。为了进一步研究T_c与C之间的匹配关系，对C11-C14结构进行了有限元分析以确定各自的T_c。建立了T_c与C之间的线性关系：T_c = ? 0.52C + 10.34，并通过比较C15结构的损伤形态进行了验证。所提出的T_c-C相关性有助于优化钛/CFRP蜂窝夹层结构的设计，确保其最大承载效率。

引言

蜂窝夹层结构由于其优异的比刚度、强度重量比和能量吸收能力，在航空航天、汽车和运输领域得到了广泛应用[1]、[2]。蜂窝夹层结构通常由两个高刚度面板与低密度蜂窝芯粘合而成，通过高效的载荷传递机制实现最佳机械性能[3]、[4]。

蜂窝芯的结构参数（如孔径、壁高和壁厚）对其承载能力有显著影响[5]、[6]、[7]。因此，近年来进行了大量研究以探讨这些参数对结构静态和动态性能的影响[8]、[9]、[10]。例如，Khoshravan等人[11]和Iva?ez等人[12]报告称，蜂窝夹层的准静态压缩行为（尤其是峰值力）取决于蜂窝壁厚和孔径。Li等人[13]研究了蜂窝夹层结构的弯曲响应，发现其刚度与蜂窝孔的尺寸、厚度和高度密切相关。Xue等人[14]指出，蜂窝芯的尺寸和厚度显著影响NOMEX蜂窝结构的冲击峰值载荷，而芯高的影响相对较小。Ragavan等人[15]证明，增加芯厚可以提高夹层复合材料的弯曲性能。Ozdemir等人[16]发现，在低速冲击下，芯厚是影响夹层复合材料冲击行为的关键因素。除了蜂窝芯外，面板通过将集中冲击载荷分散到更大的芯面积上，在减轻弯曲载荷方面也起着关键作用，从而避免局部坍塌。Wang等人[17]指出，夹层结构的冲击性能受面板的影响。Raju等人[18]发现，峰值冲击力取决于面板类型、芯厚和冲击体尺寸。Sun等人[19]表明，随着面板厚度的增加，能量吸收能力也随之提高。

已有许多研究探讨了夹层结构各结构参数的影响[20]、[21]，但这些参数之间的匹配关系与蜂窝夹层结构的能量吸收性能密切相关[22]、[23]、[24]。因此，全面研究这些参数之间的复杂耦合关系对于优化夹层结构的设计至关重要。Xue等人[25]比较了不同面板厚度与蜂窝高度比值的夹层结构在准静态压痕下的失效模式。当该比值在0.025到0.06之间时，观察到芯层脱粘；当比值在0.079到0.15之间时，面板与芯层之间发生界面脱粘。Song等人[26]研究了不同面板厚度、肋宽和肋角度的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫增强Kagome蜂窝夹层结构的弯曲性能，发现当节点间距与肋宽的比值为1时，结构获得了最佳的弯曲刚度。最近，Xu等人[27]研究了钢板蜂窝夹层结构中面板厚度与蜂窝壁厚之间的匹配关系。用于煤矿隧道的抗岩爆蜂窝面板的匹配结果为：面板厚度3.0毫米，蜂窝壁厚1.0毫米，蜂窝高度140毫米。Sun等人[28]证明，调整面板厚度比可以改善蜂窝芯夹层结构的低速冲击性能，其中面板厚度比为1时的变形最小。

上述研究确定了T和C是控制蜂窝夹层结构能量吸收的主要因素，但它们之间的匹配关系尚未得到充分研究。为填补这一空白，本文开发了不同面板厚度（T）和蜂窝孔径（C）的蜂窝夹层结构的有限元模型，这些模型在准静态压痕载荷下进行了测试。采用二分法确定了C10结构的临界面板厚度（T_c），并比较了不同匹配条件下的其QSI响应。通过C11-C14结构的有限元分析研究了T_c与C之间的匹配关系，并通过比较C15结构的损伤形态进行了验证。

材料

Twill编织碳纤维预浸料（T-300，3k）购自西安神鹰复合材料有限公司；钛板由陕西新曼达工业有限公司生产；环氧树脂（NO.AF-4147）和固化剂购自上海汇白新材料有限公司；环氧薄膜（GXA-120）由Composites Tesco Inc.提供；真空袋（FRP）购自昆山绿循环化工有限公司。

蜂窝夹层结构的制造

如图1所示，蜂窝芯采用热压工艺制造。

有限元建模

蜂窝芯的孔径分别为10、11、12、13、15毫米（C10-15），如图4所示。

使用ABAQUS/Explicit软件建立了蜂窝夹层结构在准静态压痕测试下的有限元模型。模型包括压头、钛板和蜂窝芯。压头被定义为离散刚体，因为在测试过程中其变形可以忽略不计。钛板采用8节点线性固体单元进行建模。

C10结构的T_c确定

C10结构的二分过程如表3所示。符号“√”和“×”分别代表蜂窝芯的“未压碎”和“压碎”状态。每个样品进行了三次准静态压痕模拟测试。根据二分法，C10结构的初始面板厚度T₁和T₂分别选为2.0毫米和6.0毫米。如图12所示，C10-T2.0的蜂窝芯保持完整，而

结论

本研究通过数值模拟系统研究了钛/CFRP蜂窝夹层结构在准静态压痕下的能量吸收性能和失效模式。采用二分法确定了T_c与C之间的匹配关系。主要结论如下：

(1) C10结构的峰值载荷和能量吸收能力随着T的增加而提高，直到达到T_c。当T超过T_c后，继续增加厚度

作者贡献声明

纪俊杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，数据整理，概念化。田宇：撰写 – 原稿，方法论，研究。万仁康：研究。周轩宇：研究。杨子熙：研究，资金获取。张璐：研究，资金获取。胡玉冰：监督，方法论。张亚楠：监督，资源协调，方法论。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢中央高校基本科研业务费（编号30919011404）和江苏省高等教育机构重点学术计划发展的财政支持。